微波遥感海洋应用(高度计)

海面测高--卫星雷达高度计2010年卫星雷达高度计卫星测高是一门涉及到不同学科和不同专业的综合学科。它利用卫星上安装的微波雷达高度计，实时的测量卫星到海面的高度、有效波高、和后向散射系数，通过对数据的处理和分析，进行地球物理学和海洋动力学的研究。对于卫星高度计的研究已经有三、四十年的历史。早在1973年，美国就发射了Skylab，飞船载有微波遥感器S-193，兼有高度计和散射计功能，可以观测海面风速等环境参数。1975年美国又在Geos-3卫星上装载了一台卫星高度计，Geos-3是高度计专用卫星，用于观测海洋大地水准面、海面风速及有效波高。1978年美国发射了世界上第一颗海洋专用遥感卫星Seasat-1，其中卫星高度计是主要载荷之一，可实现对海面风速的观测。美国海军1985年发射的测地卫星Geosat也是一颗高度计专业卫星。进入90年代以来，随着技术的不断进步，高度计整体性能有很大的提高。1991年7月欧空局发射了第一颗欧洲遥感卫星(ERS-1)，同Seasat-1一样，微波遥感器是该星的主要载荷，其中雷达高度计(RA)有两种模式：海洋模式和海冰模式，海洋模式可测量海洋风速等参数。据1978年Seasat三个月飞行后已发表的科学论文的数量判断，星载雷达高度计取得的观测资料吸引了许多海洋科学家的注意力，高度计可以测量卫星和海面之间的距离，测量误差在10cm以内。测量距离约800km，准确度为800万分之一，这不能不说是一项了不起的成就。高度计带给海洋学工作者的机会，即实现了海面绝对斜率的测量，正是他们百年来梦寐以求的事情。高度计测量成就的重要意义越来越明显。还应该补充一点，高度计还具有准确地测量有效波高，同时估算海面风速的能力。我们有充分的依据可以解释为什么主要的航天大国的空间部门都在规划后续的卫星高度计（ERS-1/2，T/P，GFO，JASON，ENVISAT）。海洋的尺度如一张纸Jason-1Satellite•海面高度SSH（SeaSurfaceHeight）•有效波高SWH(SignificantWaveHeight)•风速(WindSpeed)高度计测量原理图雷达高度计观测示意图雷达高度计脉冲前沿首先到达卫星星下点的海洋，然后，以脉冲圆形波向外移动。实际效果：圆点-圆形-环形足印大小：平静海面:ra=(2hctp)1/2，粗糙海面:21')2('PhctA223/122'216cInhttpp其中:雷达高度计观测足印脉冲时间τ与平滑海面的相互作用。图的下方表示受照区的轮状形，右边表示回波信号的强度。回波波形的产生(PulseLimited)海面参数的反演理论上的回波波形及相应的反演参数1有效波高（SWH）的测量SWH的定义1有效波高（SWH）的测量(),(),(),,1,2,3,4,5,6earlylatemidagcnoiseSmSmSmSSm2海面高度（SSH）的校正2海面高度(SSH)的测量RangeCorrectedRange=Range+WetTroposphereCorrection+DryTroposphereCorrection+IonosphereCorrection+SeaStateBiasSeaSurfaceHeight=Altitude-CorrectedRangeSeaSurfaceHeightAnomaly=SeaSurfaceHeight-MeanSeaSurface-TideEffects-InverseBarometer-HighFrequencyWindResponse海况的影响(SWH)是高度计距离测量中最大的误差来源（5cm）。都是海面的非高斯分布造成的。–Electromagnetic(EM)bias(2%-5%ofSWH)–Skewnessbias(10%-20%ofSWH)MeanSealevelMeanScatteringSurfaceMedianScatteringSurface海面粗糙度误差海面随波浪而起伏，这一事实已经根据对扩展回波脉冲锋的效应，同时也根据对扩大地面有效覆盖区的效应进行了描述。海面越粗糙，跟踪脉冲前沿斜率的逻辑算法的准确运算就越难，况且跟踪器还产生一定偏差。此外，大洋波并非是正弦波形，波谷趋于平缓，波峰趋于陡峭，致使波谷的雷达回波信号强于波峰的回波，产生一个突出波谷的电磁波偏差，而且使卫星与平均海平面之间距离估算偏高。海面粗糙度的整个效应称之为海况偏差，据估计，Seasat海况偏差为有效波高的7%，应从卫星至海面的距离中减去这一偏差（Bornetal.1982）。电磁波偏差大约为有效波高1.5%---2%,对于工作频率为13.5GHz的所有高度计，都是普遍存在的；而跟踪器误差，具体对于Seasat来说，大约是5%至5.5%。即使偏差订正达到7%观测资料中仍有为有效波高的3%的离散度，这已根据不同波浪条件下同一海区的重复轨道进行过检验。EMbias的校正EMbias是因为海面的非高斯分布，波谷比波峰有更大的曲率半径，因此散射更强，造成测量得到的海平面趋向于波谷。理论的方法：经验的方法：1/3EMRbH2212010222221()8xyLLxxxxLSLSb201231/3baaUaUaHSkewnessbias的校正SkewnessBias是平均散射面和中值散射面之间的高度差。直接影响到回波波形上升沿的形状。可以通过波形重构去除。1/324skewHR大气传输的订正假设雷达信号以光速传播，根据测量的脉冲传输时间t可计算高度。然而，脉冲传播速度通过大气层和对流层时降低，造成距离（即高度）过高估算。如果令C为光在真空中的传播速度，Cm为脉冲在介质中传播的速度，那么，过高估算的距离为mTTctcth2121)1()(21nhccccthmmmT即:干燥大气的订正值Δhd,05)2cos0026.01(10277.2phd潮湿大气的订正值)05.0/1255(10277.205Thw0式中，T为海面气温，单位为K，为海面部分水汽压，单位为pa。假设了水汽的垂直分布，但是这种分布也可以根据地面观测的气象要素进行计算。0另一种方法是利用卫星被动式微波探测器，测量22.3GHz频率水汽发射的辐射，从而测量大气柱可降水的总量。为此目的，Seasat采用了SMMR，取得了比利用内插气象资料，应用(10.5)式进行计算所取得的更为满意的订正结果。Tapley等人（1982b）给出了一个直接利用SMMR亮度湿度的表达式，而且还给出：31036.6whSigma0windspeedSB(SmoothedBrown1981)-SEASATGEOS-3altimetermeasurementsof&184coincidentbuoyobservations.MCW(ModifiedCheltonandWentz)-T/P,ERS–CheltonandMcCabe1985–CheltonandWentz1986–WitterandChelton1991–Seasataltimeter&Seasat-ASatelliteScatterometer241，000data.FC(FreilichandChallenor1993)usewindspeedestimatedbynumericalweatherpredictionNWPmodelsE98(Elfouhaily1998)波形重构--为什么要进行波形重构？高度计设计用于海洋表面的观测，海面参数是通过模型拟合得到最优的参数，如距离、有效波高和雷达后向散射截面。当波形与预期的形状不同时，这个模型就不适用了。这会发生在极端的海况（高或者低）和非海洋的表面上。为了更有效的使用这些数据，以及或者最准确的海面参数，需要进行波形重构。–Oceansurfacewaveformretracking－－为了获得精度更高的产品–Non-oceansurfacewaveformretracking－－为了获得非海洋表面对应的参数回波模型雷达高度计接受海面回波平均能量可以表示成三个量的的卷积形式（Barrick,1972，Brown,1977;Hayne,1980;Rodriguez,1988）()()*()*()FSsWtPtqtpt()Wt()FSPt()sqt()pt平均的回波能量平面的雷达脉冲相应（averageflatseasurfaceresponse）海面散射面分布的概率密度函数(surfaceelevationprobabilitydensityofsactteringelements)雷达点脉冲相应(radarpointtargetresponse)其中1海面的雷达脉冲响应-altimeterheightobovetheoceansurface-radiusoftheEarth-antennabeamwidth-offnadiranglehR22022023(0)4sin(/2)exp(sin)4(4)ln4PGcALh00G-antennabrosightgain(0)-oceansurfacebackscatteringcrosssectionatnormalincidence-twowaypropagationlossoverandobovethefree-spacelosspL1/20()exp()()()FSPtAtItUt其中21/22ln41cos(2)sin(/2)(1/)ln41[]sin(2)sin(/2)(1/)chhRchhR()FSPt2海面散射面的概率密度函数()sqt3-surfacermswaveheight(14ofSWH)-skewness-HermitepolynomialssH2311()exp[()][1()]262sssssttqtH其中211()exp[()]22ssstqt3雷达点脉冲相应()rpt-altimetersignalbandwidth,320MHzforJason-1(sameasTOPEX)B2234611()exp[()][1()()()]2624722rrrrrrrrrttttptHHH2sin()()[]rBtptBt其中22()exp()2rrtpt10.425,-timeresolution22ln2rtttrrr其中拟合方法回波波形上升沿拟合:Range,SWH,Sigma0全波形拟合:Range,SWH,Sigma0,Off-nadirAngleJason-1海面波形重构处理流程图Scaled噪声估计，并去除噪声实测海面回波波形初始化参数ａ(0)带入模型，得到仿真波形得到关于参数导数的解析表达式即需要拟合的关系式SVD仿真波形和实测波形的差值用于误差分析AX=ba(0)拟合得到参数X确定PTR的高斯型，得到回波模型实测PTR波形21(())niiipPaa21(())niiipPa在不同表面上的回波波形SurfaceGeophysicalQuantityOceanSeaLevelTopographyMeanSeaLevelWavesWindSpeedNon-oceanSurfaceIceSeaIceSurfaceElevationTopographyContinentialIceSheetLandTopographySurfaceElevationInland-waterSurfaceElevationNon-oceansurface的波形重构基于模型的算法–NASA算法–S/V算法–ICE-2算法不基于模型的算法–OCOG算法–阈值算法NASA算法NASAGoddardSpaceFlightCenter的Marti